塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報告

1、近代物理實(shí)驗(yàn)報告塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)學(xué)院班級姓名學(xué)號時 間2022 年3月16日塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報告【摘要】：本實(shí)驗(yàn)通過塞曼效應(yīng)儀與一些觀察裝置觀察汞Hg546.1 nm譜線3Sn 3P2躍遷的塞曼分裂，從理論上解釋、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而后給出橫效應(yīng)塞總分值裂線的波數(shù)增量，最后得出 荷質(zhì)比?！娟P(guān)鍵詞】：塞曼效應(yīng)、汞546.1 nm、橫效應(yīng)、塞總分值裂線、荷質(zhì)比【引言】：塞曼效應(yīng)是原子的光譜線在外磁場中出現(xiàn)分裂的現(xiàn)象，是1896年由荷蘭物理學(xué)家塞曼發(fā)現(xiàn)的。首先他發(fā)現(xiàn)，原子光譜線在外磁場發(fā)生了分裂；隨后洛侖茲在理論上解釋了譜線分裂成 3條的原因，這種現(xiàn)象稱為“塞曼效應(yīng)。在后來進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，很多原子的光譜在磁

2、場中 的分裂情況有別于前面的分裂情況，更為復(fù)雜，稱為反常塞曼效應(yīng)。塞曼效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)使人們對物質(zhì)光譜、原子、分子有更多了解，塞曼效應(yīng)證實(shí)了原子磁矩的 空間量子化，為研究原子結(jié)構(gòu)提供了重要途徑，被認(rèn)為是19世紀(jì)末20世紀(jì)初物理學(xué)最重要的發(fā)現(xiàn)之一。利用塞曼效應(yīng)可以測量電子的荷質(zhì)比。在天體物理中，塞曼效應(yīng)可以用來測量天體 的磁場。本實(shí)驗(yàn)采取 Fabry-Perot 以下簡稱F-P標(biāo)準(zhǔn)具觀察 Hg的546.1 nm譜線的塞曼效 應(yīng)，同時利用塞滿效應(yīng)測量電子的荷質(zhì)比?！菊摹浚阂弧⑷至炎V線與原譜線關(guān)系1、磁矩在外磁場中受到的作用(1)原子總磁矩人在外磁場中受到力矩的作用：(云=呃)其效果是磁矩繞磁場方向

3、旋進(jìn)，也就是總角動量Pj繞磁場方向旋進(jìn)。 磁矩幾I在外磁場中的磁能:£Lt = -gPfJ 2八-U=s(Pr3) = ()zff2m2m由于，所以其在磁場方向分量也量子化:原子受磁場作用而旋進(jìn)引起的附加能量2燉 2兀"二學(xué)-皺爾磁子)$4也隨二竺-、險B二科 MgBsM為磁量子數(shù)g為朗道因子，表征原子總磁矩和總角動量的關(guān)系，g隨耦合類型不同LS耦合和jj耦合有兩種解法。在 LS耦合下：,J(J+1)-L(L + 1HS + 1)1 +其中：L為總軌道角動量量子數(shù)S為總自旋角動量量子數(shù)J為總角動量量子數(shù)M只能取J, J-1 , J-2-J 共2J+1丨個值，即 E有(2J+

4、1)個可能值。無外磁場時的一個能級，在外磁場作用下將分裂成2J+1個能級，其分裂的能級是等間隔2、塞曼分裂譜線與原譜線關(guān)系:(1)根本出發(fā)點(diǎn)：hvl!再+Z呵hvl =-爲(wèi) + 應(yīng)$二禺-盡+2-人馬= kvA-M - M罔弁押分裂后譜線與原譜線頻率差A(yù)k = vf-v = M局-叫吋巴名ehp鳥二由于4?兩Ajm為方便起見，常表示為波數(shù)差L- = x46.7_17_1定義 Ajimc為洛侖茲單位：Af =M32 -肚間兀=16.7422 一 "1 旨 1占3、譜線的偏振特征： 塞曼躍遷的選擇定那么為： M=0時為n成份n型偏振是振動方向平行于磁場的線偏振光，只有在垂直于磁場方向才能

5、觀察到，平行于磁場方向觀察不到；但當(dāng)J=0時，M=0到M=0的躍遷被禁止。當(dāng)厶M=± 1時，為b成份，c型偏振垂直于磁場，觀察時為振動垂直于磁場的線偏振光。 平行于磁場觀察時，其偏振性與磁場方向及觀察方向都有關(guān)： 沿磁場正向觀察時即磁場方向離開觀察者：U_ M= +1為右旋圓偏振光b +偏振 M= -1為左旋圓偏振光b -偏振也即，磁場指向觀察者時：O I M= +1為左旋圓偏振光 M= -1為右旋圓偏振光分析的總思路和總原那么 在輻射的過程中，原子和發(fā)出的光子作為整體的角動量是守恒的。原子在磁場方向角動量為：唱 在磁場指向觀察者時：ok當(dāng)厶M= +1時，光子角動量為2兀，與B同向電

6、磁波電矢量繞逆時針方向轉(zhuǎn)動，在光學(xué)上稱為左旋圓偏振光。k M= -1時，光子角動量為，2兀與百反向 電磁波電矢量繞順時針方向轉(zhuǎn)動，在光學(xué)上稱為右旋圓偏振光。例：Hg 5461?譜線，6S7S分裂后，相鄰兩譜線的波數(shù)差實(shí)驗(yàn)方法： 觀察塞曼分裂的方法：S宀6S6P 4能級躍遷產(chǎn)生3*0-1-3/L-12LC2LEL12>L-F1FrF11111巳2 0-23a 2 o 3/2-3塞曼分裂的波長差很小由于一 -；'-1'以Hg 5461 ?譜線為例當(dāng)處于 B=1T的磁場中F "JAv = -&7><1工23.3向2 2Al=>l3Av =10

7、 ilw=0.1A要觀察如此小的波長差，用一般的棱鏡攝譜儀是不可能的，需要用高分辨率的儀器，如法布里 珀羅標(biāo)準(zhǔn)器F P標(biāo)準(zhǔn)具。FP標(biāo)準(zhǔn)具由平行放置的兩塊平面板組成的，在兩板相對的平面上鍍薄銀膜和其他有較高反 射系數(shù)的薄膜。兩平行的鍍銀平面的間隔是由某些熱膨脹系數(shù)很小的材料做成的環(huán)固定起來。 假設(shè)兩平行的鍍銀平面的間隔不可以改變，那么稱該儀器為法布里一珀羅干預(yù)儀。標(biāo)準(zhǔn)具在空氣中使用時，干預(yù)方程干預(yù)極大值為=標(biāo)準(zhǔn)具有兩個特征參量自由光譜范圍和分辨本領(lǐng)。自由光譜范圍的物理意義:說明在給定間隔圈原度為 d的標(biāo)準(zhǔn)具中，假設(shè)入射光的波長在入入+入間或波數(shù)在P -F-fA?間所產(chǎn)生的干預(yù)圓環(huán)不重疊，假設(shè)被研

8、究的譜線波長差大于自由光譜范圍，兩 套花紋之間就要發(fā)生重疊或錯級，給分析帶來困難，因此在使用標(biāo)準(zhǔn)具時，應(yīng)根據(jù)被研究對象 的光譜波長范圍來確定間隔圈的厚度。分辨本領(lǐng):對于F P標(biāo)準(zhǔn)具N為精細(xì)度，兩相鄰干預(yù)級間能夠分辨的最大條紋數(shù)R為反射率,R 一般在90%當(dāng)光近似于正入射時例如：d=5mm R=90% 入=546.1 nm 時入、實(shí)驗(yàn)儀器與裝置該實(shí)驗(yàn)可采用多種儀器與方法，一般常用的是在塞曼效應(yīng)儀上加以不同的觀察裝置。觀察 塞曼效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置圖如下所示：CCD9遠(yuǎn)情一成僮JaffiP標(biāo)準(zhǔn)具上，由偏振片鑒別成分和 成分，再經(jīng)成像透鏡將干預(yù)圖樣成像在攝譜儀膠片或望遠(yuǎn)鏡CCD光敏面處。觀察塞曼效應(yīng)時，可

9、將電磁鐵極中的芯子抽出，磁極轉(zhuǎn)90o,光從磁極中心痛過。將1/4波片置于偏振片前方，轉(zhuǎn)動偏振片可以觀測成分的左旋和右旋圓偏振 光。本實(shí)驗(yàn)室的 WP11/| A塞曼效應(yīng)儀，采用 CCD望遠(yuǎn)鏡觀察，電腦采集圖像并處理，整套儀器組成如以下圖:1一電隱鐵2 鼓勵電源3 透鏡圖3-57 CCD望遠(yuǎn)鏡8 導(dǎo)軌1電腦4 一偏振片5干預(yù)濾光片中心波長546 Jnm6F-P標(biāo)準(zhǔn)具間距2imn三、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 觀察塞曼效應(yīng)儀，理解理論學(xué)習(xí)內(nèi)容。2. 掌握測量波長差的原理。3. 測量荷質(zhì)比。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法本實(shí)驗(yàn)通過塞曼效應(yīng)儀與一些觀察裝置觀察汞Hg546.1 nm譜線3S 3P2躍遷的塞曼分裂，用FP標(biāo)準(zhǔn)具測量

10、波長差及電子的荷質(zhì)比。1. 將汞燈調(diào)節(jié)到磁場最強(qiáng)處，按上圖調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)各光學(xué)部件同軸等高。注意：調(diào)節(jié)共軸等高是本實(shí)驗(yàn)的一個關(guān)鍵點(diǎn)也是一個難點(diǎn)，可以采用二次成像法來調(diào)節(jié)。二次成像法：利用凸透鏡能在較近與較遠(yuǎn)處成像，通過觀察這兩個清晰像的中心相同來調(diào)節(jié)共 軸等高。2. 觀察汞Hg546.1 nm譜線在B=0與0時的物理圖像。轉(zhuǎn)動偏振片，檢查橫效應(yīng)和縱效 應(yīng)下分裂的成分。本實(shí)驗(yàn)主要研究橫效應(yīng)3. 測量與數(shù)據(jù)處理：將橫效應(yīng)的成分觀察到的圖像保存成 jpg或bmp格式，用塞曼效應(yīng)分析軟件測量出k、k-1和k-2級各干預(yù)圓環(huán)的直徑，用特斯拉計測量汞燈處的磁場B。利用常數(shù)d d=2mri及公式計算出?

11、v，再計算e/m。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論1.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：11x 10 C/kg。實(shí)驗(yàn)測得：加磁場時汞燈處B=1235mTB=0時能級圖：B=1.235T時的能級圖:從圖中我們可以清楚的看到，在加磁場后，汞546.1 nm譜線明顯發(fā)生塞曼分裂，每一條譜 線分裂成3條有橫效應(yīng)的前提。1.7588的誤差為：865 1.7588 100% 6.04%。誤差產(chǎn)生的原因有兩方面：1.軟件處1.7588理時畫圓定點(diǎn)不夠仔細(xì)，2.調(diào)節(jié)共軸等高時有一定誤差同時，本實(shí)驗(yàn)由于時間等原因未能進(jìn)用塞曼效應(yīng)分析軟件處理后結(jié)果為:從圖中我們可以看出所得到的電子的荷質(zhì)比為1.865此處未加上數(shù)量級，與理論的行屢次測量。2. 理論計算我們知道理論46.7B(m 1T 1)，因?yàn)镸2g2 M1g1代入理4 mc論的荷質(zhì)比e/m與實(shí)際的磁場強(qiáng)度 B,后得出M2g2 M1g10.81，而實(shí)際D：( ) D：()D：1( ) D：()代入結(jié)果圖中的數(shù)據(jù)得50,同時將公示簡單變形后能得出荷質(zhì)比e/m 1.884 1011，與軟件得出結(jié)果較為接近。3. 誤差分